詹姆斯·韋伯空間望遠鏡( James Webb Space Telescope，JWST ) 是太空中在役的口徑最大的天文望遠鏡。它配備的高分辨率儀器使其能夠看到哈勃空間望遠鏡無法觀測到的微弱星體，極大拓展了天文學、宇宙學及相關交叉學科的研究范圍，開展對于最早誕生的第一批恒星、第一批星系及潛在宜居行星的觀測研究。
韋伯望遠鏡的設計和開發由美國航空航天局(NASA) 領導，歐洲航天局(ESA) 和加拿大航天局(CSA)參與合作，主鏡由 18 塊六邊形鍍金鈹鏡面組合而成，整體直徑達6.5米（21 英尺），面積約為 25 平方米。而哈勃望遠鏡的主鏡直徑為2.4 米（7 英尺 10 英寸），韋伯的鏡面面積約為哈勃的六倍。與觀察近紫外和可見光（0.1- 0.8 μm）以及近紅外（0.8-2.5μm）光譜的哈勃空間望遠鏡不同，韋伯望遠鏡觀測的頻率更低，在長波可見光到中波-紅外線（0.6–28.3μm）范圍。它部署在日地L2拉格朗日點附近的太陽軌道上，距離地球約 150 萬公里（930,000 英里）。
1996 年，“下一代太空望遠鏡”（Next Generation Space Telescope，NGST）計劃上馬。原計劃 2007 年發射，項目預算為 10 億美元。2002年命名為“詹姆斯·韋伯”空間望遠鏡，2005 年項目進行了大規模的重新調整，在計劃成本嚴重超支并數度延誤之后，2021 年 12 月 25 日，終于在法屬圭亞那庫魯由“阿麗亞娜”5 號火箭發射升空，并于次年1月抵達日地L2拉格朗日點。2022年7月11日，韋伯望遠鏡拍攝的第一張圖像向外界發布。
發展歷程
人類航天事業對大型紅外太空望遠鏡的渴望可以追溯到幾十年前。美國在研制航天飛機的同時就規劃了太空紅外望遠鏡設施（后來發展為斯皮策太空望遠鏡），但是紅外望遠鏡有一個缺點：需要保持冷卻，而冷卻劑會慢慢蒸發，極大地限制了望遠鏡的使用壽命。
起源
在哈勃空間望遠鏡（HST）發射后，由于哈勃衛星在建造過程中產生了一些難以挽回的光學缺陷，20世紀80年代，美國有關部門開始籌劃其后續衛星， 90 年代初期，正式展開了規劃工作。受到1993年STS-61航天飛機任務中在軌維修哈勃望遠鏡并取得成功的影響，1994年，HST & Beyond 委員會成立 ，旨在研究 21 世紀頭幾十年太空光學-紫外天文學的可能任務和計劃，并在1996年的報告中提出了更大、更冷、對紅外敏感的望遠鏡的概念，設想中，該望遠鏡可以用于觀測宇宙間第一個誕生的星系。但這個激進的科學目標超出了哈勃空間望遠鏡的能力，因為它被自身光學系統的紅外線輻射所蒙蔽，無法達到這項目標所需要的靈敏度。在將哈勃望遠鏡壽命延長至 2005 年的同時，美國航空航天局 還采納了 HST & Beyond 的主要建議即開發大型冷空間望遠鏡（輻射冷卻遠低于 0 °C），由此開始了這項今天稱為JWST的項目的早期規劃。
項目的具體內容起源于1990 年代中期的NGST 概念，計劃將 8 米孔徑的望遠鏡發射到日地拉格朗日L2點，粗略估計耗資 5 億美元。1997 年，NASA 與戈達德太空飛行中心、 Ball Aerospace & Technologies 和TRW合作，對三個不同的概念進行技術論證和成本研究，并于 1999 年進一步選擇了洛克希德·馬丁公司和 TRW 進行初步概念研究。當時計劃在 2007 年發射。
2000 年，《天文學和天體物理學十年調查》（由美國國家研究委員會編制的文獻綜述，包括確定研究重點和為即將到來的十年提出建議）中，明確指出：進一步開發被稱為“下一代空間望遠鏡”的科學計劃望遠鏡。
2002 年，該項目以美國航空航天局第二任行政長官（1961-1968 年）詹姆斯·韋伯（1906-1992 年）的名字重新命名。
2003 年，NASA 授予 TRW 價值 8.248 億美元的 JWST 主要合同。該設計要求開發口徑縮小至 6.1 米的空間望遠鏡，并計劃于 2010 年發射。同年，TRW 被諾斯羅普·格魯門公司格魯門公司收購，成為諾斯羅普·格魯曼空間技術公司。望遠鏡的開發工作由美國宇航局位于馬里蘭州格林貝爾特的戈達德太空飛行中心管理。
調整
2005年，由于項目成本超標，JWST項目進行了重新規劃。主要是在是技術集成和測試計劃兩方面進行了大幅調整發，發射延遲 22 個月（從 2011 年到 2013 年），并且取消了對波長小于 1.7 微米的觀察要求。經調整后，項目的生命周期成本估計為 45 億美元。這包括約 35 億美元的設計、開發、啟動和調試，以及約 10 億美元的十年運營成本。
歐洲、加拿大加入
歐洲航天局于 2004 年同意出資約 3 億歐元。加拿大航天局在 2007 年出資了 3900 萬加拿大元，并在 2012 年交付了設備捐助，用于探測遙遠行星上的大氣狀況。
詳細設計
2007年1月，JWST項目的十項技術中的九項的開發工作順利通過了審查，確認這些技術已經足夠成熟，能夠有效降低項目遇到的風險。2007 年 4 月，最后一項技術（MIRI低溫冷卻器）完成通過審查，項目進入詳細設計階段。
2008年3月，該項目成功完成了初步設計審查（PDR）。
2008年4月，該項目通過了外部審查。綜合科學儀器模塊審查于 2009 年 3 月完成，光學元件審查于 2009 年 10 月完成，遮陽板審查于 2010 年 1 月完成。
2010 年 4 月，JWST項目通過了關鍵任務設計審查 (MCDR) 的技術部分，標志著其能夠滿足任務規劃的所有科學和工程要求。 計劃發射時間推遲到2015 年（最遲2018 年）。同時，其成本再次超支。
制造
2011 年，JWST 項目已進入最終設計和制造階段。主鏡六角形部分的組裝于 2015 年 11 月開始，并于 2016 年 2 月 3 日完成。次鏡于 2016 年 3 月 3 日安裝。 2016 年 11 月，韋伯望遠鏡完工，之后進入測試環節。
2018年3月，由于遮陽罩測試期間撕裂并且電纜沒有充分收緊，美國航空航天局 將韋伯望遠鏡的發射時間再次推遲 2 年，來到了2020年5月。同年6 月，在獨立審查委員會對本次故障進行評估后，發現共有 344 個潛在的單點故障隱患，且均對望遠鏡的在軌工作有嚴重影響，NASA 將發射再推遲 10 個月至 2021 年 3 月。
2019 年 8 月，韋伯望遠鏡的機械集成工作完成，相比于最早規劃的 2007 年已經延遲了12年。
施工完成后，韋伯望遠鏡在加利福尼亞州州雷東多海灘的諾斯羅普格魯曼公司工廠進行了最終測試，后于2021年9月26日離開加利福尼亞，經船運，于2021年10月12日抵達法屬圭亞那。
發射入軌
2021 年 12 月 25 日，UTC 12:20，韋伯望遠鏡由阿麗亞娜 5 號火箭從法屬圭亞那合作共和國的圭亞那航天中心發射升空。確認望遠鏡正在接收電力，發射后 27 分望遠鏡從火箭上分離，并計劃用時30天抵達預定軌道。
2022 年 1 月 24 日，韋伯望遠鏡到達日地拉格朗日L2點。期間進行了三次航向修正，以調整其速度和方向。從發射后 31 分鐘開始，韋伯望遠鏡耗時約13天，調整了其太陽能陣列、天線、遮陽罩和鏡面，除了兩個早期的自動化操作——太陽能電池板展開和通信天線部署——幾乎所有的操作都由位于巴爾的摩的太空望遠鏡科學研究所指揮。
在軌調試
為確認鏡面展開到位和已經完成校準，美國航空航天局 在 2022 年 2 月 3 日UTC 19:28 宣布 NIRCam（韋伯望遠鏡上的一個載荷） 已檢測到望遠鏡的第一個光子（盡管尚未完成圖像）。 2022 年 2 月 11 日，NASA，宣布：韋伯望遠鏡幾乎完成了校準的第一階段，以目標恒星 HD 84406 為參照，主鏡的每一個部分都已經完成對準并對其成像，并且所有部分都大致對齊。第一階段對齊于 2022 年 2 月 18 日完成。在調試主鏡的同時，其他儀器調試和校準任務也在進行中。
2022年4月29日，韋伯望遠鏡完成了所有七個階段的鏡面校準工作，確認能夠其四臺機載科學儀器中都能捕捉清晰、對焦良好的圖像，準備進入最后一系列準備工作，即計劃耗時兩個月的科學儀器調試。七個階段的工作內容分別為：
開始工作
2022年7月，美國航空航天局發布了韋伯望遠鏡拍攝的第一張全彩色照片，韋伯望遠鏡正式進入工作階段。?
任務目標
詹姆斯韋伯太空望遠鏡有四個主要目標：
此外，它將能夠判斷太陽系外行星的大氣中是否含有甲烷，幫助天文學家研究甲是否意味著生物活動。
性能特點
詹姆斯·韋伯空間望遠鏡重約6.2噸，使用鍍金鈹主鏡，直徑6.5米，由 18 個獨立的六邊形鏡面組成，鏡面面積為26.3平方米，其總收集面積為25.4平方米。相比著名的哈勃空間望遠鏡望遠鏡，其直徑加大了4米，收集面積大六倍多（哈勃的收集面積為4.0平方米）
韋伯望遠鏡搭載多種觀測儀器，它主要工作于近紅外波段，也可觀測橙色、紅色可見光及中紅外區域。它可以探測的最暗物體亮度是哈勃望遠鏡的百分之一，還可以繼續上溯可觀測宇宙的歷史，可對紅移z≈20（宇宙時間，宇宙大爆炸后大約 1.8 億年）的天體進行觀測，因此可用于開展對第一批恒星和星系的觀測。
韋伯望遠鏡傾向于在近紅外到中紅外波段展開空間天文觀測的主要原因為：
相比之下，地面望遠鏡受到大氣層的遮擋和干擾，很難準確收到純凈的太空紅外信號；哈勃等較早期的太空望遠鏡鏡面溫度較高（如哈勃的鏡面溫度約 15 °C/288 K/59 °F），自身輻射強烈，也難以在相關波段進行觀察。韋伯空間望遠鏡填補了這一空白。
韋伯還可以觀察太陽系中與太陽成 85° 以上角度且視角運動速度小于每秒 0.03 角秒的物體，涵蓋了火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星以及這些行星/矮行星的衛星、彗星、小行星和超出火星軌道的小行星，也能夠觀測幾乎所有已知的柯伊伯帶天體。此外，它還可以捕捉如超新星爆發和伽馬射線暴等觀測計劃外的偶發事件。
軌道參數
韋伯望遠鏡部署在日地第二拉格朗日點L2的暈輪軌道，相對于太陽來說，處于地球外側150萬公里的位置上，并與地球同步繞日公轉，因而能夠使太陽、地球和月球處于望遠鏡的同側，與之相對方位和距離大致不變 ，避開了地球和月球的陰影區，同時其遮陽罩可以同時阻擋來自這三個天體的熱量和光線，從而防止對鏡體造成的溫度變化，確保望遠鏡溫度穩定低于微弱紅外觀測所需的 50 K（-223 °C/-370 °F）。也保證了與地球保持不間斷的通信。
由于L 2只是一個引力平衡點，暈輪軌道不是通常意義上的穩定軌道：航天器實際上是在繞太陽運行的軌道上，暈軌道可以被認為是受控漂移到保持在 L 2點附近。
光學設計
在鏡體結構方面，由于“阿麗亞娜”火箭整流罩尺寸限制，韋伯望遠鏡的主鏡由18個六邊形鏡片組成，發射時折疊收納，入軌后展開并精確定位。每個獨立鏡片都使用相位恢復波前傳感技術進行校準，以確保其位置和方向的精度。韋伯望遠鏡總共使用了 132 個小型驅動電機來定位和調整光學器件。這些驅動器可以以10納米的精度定位反射鏡，確保高質量的觀測數據。此后每數天調整一次位置即可。
在成像方面，韋伯望遠鏡采用三鏡消像差光學技術，通過彎曲的二級和三級鏡來提供寬視場內無光學畸變的圖像。其中，主鏡的直徑為6.5米，副鏡的直徑為0.74米，三級鏡的直徑為0.3米。此外，望遠鏡還配備了一個精細的導星系統和一個可進行微調的轉向鏡，以確保望遠鏡對準目標并提供圖像穩定，能夠保證更高的分辨率和靈敏度，從而能夠觀測到更遙遠、更微弱、更古老的宇宙物體，例如早期星系和原始星云。
科學儀器
韋伯望遠鏡上搭載有綜合科學儀器模塊(ISIM) ，可為望遠鏡提供電力、計算資源、冷卻能力以及結構穩定性。模塊由石墨-環氧樹脂復合材料制成，并裝載了四臺科學儀器和一個導星相機：
NIRCam 和 MIRI 具有遮擋星光的日冕儀，用于觀察暗淡的目標，例如非常靠近明亮恒星的太陽系外行星和星周盤。
總線架構
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的總線上承載著大量的計算、通信、電力、推進和結構部件，總線的結構質量為 350 公斤，主要由石墨復合材料制成，運行溫度約為 300 K。可以以一角秒的指向精度旋轉韋伯望遠鏡，并將振動幅度控制到兩毫角秒內。
推進系統
韋伯有兩對火箭發動機（一對為冗余備份），用于在望遠鏡前往日地第二拉格朗日點L2的途中進行航向修正和軌道保持。姿態控制系統則使用了八個較小的推進器。推進劑為——四氧化二氮雙組元液體推進劑。
在軌維護
韋伯望遠鏡為方便未來的維修任務進行了相關的設計，如表面十字形的精確引導標記和可再填充的燃料箱、可拆卸的熱保護器和對接點。但由于無人駕駛的遠程任務技術的落實時間已經超出了韋伯望遠鏡的設計使用時間，韋伯望遠鏡可能不再計劃在軌維護。
軟件系統
韋伯空間望遠鏡的科學操作將由 ASCII 機載腳本驅動，使用 ECMAScript 編寫，由用 C++ 編寫的飛控軟件運行，并實現了模塊化設計流程。
與其他望遠鏡的比較
對大型紅外太空望遠鏡的渴望可以追溯到幾十年前。在美國，在研制航天飛機的同時計劃了太空紅外望遠鏡設施（后來稱為斯皮策太空望遠鏡），當時人們認識到紅外天文學的潛力。與地面望遠鏡不同，太空天文臺不受大氣吸收紅外線的影響。空間天文臺為天文學家開辟了一片全新的“天空”。
然而，紅外望遠鏡有一個缺點：它們需要保持極冷，紅外波長越長，它們需要越冷。否則，設備本身的背景熱量就會淹沒探測器，使其實際上失明。這可以通過仔細的航天器設計來克服，特別是將望遠鏡放在裝有極冷物質（如液氦）的杜瓦瓶中。冷卻劑會慢慢蒸發，將儀器的使用壽命從短至幾個月限制到最多幾年。
在某些情況下，可以通過航天器的設計將溫度保持在足夠低的水平，以便在沒有冷卻劑供應的情況下進行近紅外觀測，例如斯皮策太空望遠鏡和寬視場紅外中國空間站工程巡天望遠鏡探測器的擴展任務，它運行冷卻劑耗盡后容量減少。另一個例子是哈勃空間望遠鏡的近紅外相機和多目標光譜儀(NICMOS) 儀器，它開始使用一塊幾年后耗盡的氮冰，但隨后在STS-109維修任務期間更換為低溫冷卻器連續工作。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡設計為無需杜瓦瓶即可自行冷卻，使用遮陽罩和散熱器的組合，中紅外儀器使用額外的低溫冷卻器。
JWST 的延遲和成本增加與其前身哈勃太空望遠鏡相比。1972 年哈勃正式啟動時，它的開發成本估計為 3 億美元（相當于 2021 年的 194343.7 萬美元），但到 1990 年它被送入軌道時，成本大約是它的四倍。此外，到 2006 年，新儀器和維修任務使成本增加到至少 90 億美元（相當于 2021 年的 12,097,557,000 美元）。
成果
當地時間2022年7月12日，美國航空航天局（NASA）舉辦新聞發布會，展示詹姆斯·韋伯空間望遠鏡拍攝的第一張全彩色照片。?隨后，公布了韋伯空間望遠鏡拍攝的首批全套全彩宇宙深空圖像。
當地時間2022年8月22日，NASA發布了韋伯望遠鏡拍攝的木星圖像，顯示了木星及木星環、微小衛星甚至星系的細節，將為科學家提供更多關于木星內部生命的線索。
2022 年 8 月 24 日，天文學家通過韋伯望遠鏡獲得的透射光譜觀測結果詳細研究了系外氣態巨行星WASP-39b大氣中的二氧化碳成分，該行星距地球700光年，大小與土星相當。這是人類首次在系外行星上確認檢測到二氧化碳，“開啟了太陽系外行星大氣科學的新時代”。
2022年9月2日，美國航空航天局發布了韋伯望遠鏡首次拍攝的太陽系外行星的直接圖像，顯示了系外行星HIP 65426 b在不同的紅外波段下呈現的特征，該行星質量約為木星的6至12倍，為距今大約1500萬到2000萬年前成形，圍繞一顆距離地球400光年的恒星運行。本次也是人類首次在太空拍攝到太陽系外行星的直接圖像，而且拍攝精度遠超預期。
2022年9月19日，韋伯望遠鏡發布了其拍攝的首張火星紅外圖像，捕獲了整顆行星的大氣數據，這將幫助天文學家識別以前儀器無法識別的現象和氣體，更好地了解火星的大氣層。
2022年12月16日，一個國際天文學家小組利用韋伯望遠鏡，確認了迄今最遙遠星系，該星系距離地球134億光年，在宇宙大爆炸后3.25億年內形成，這也是天文學家首次通過確切計算證明其非常遙遠的星系。
2023年3月，韋伯望遠鏡捕捉到了一顆瀕死恒星的短暫狀態，這一狀態是它們爆炸成為超新星之前的最后一步，非常罕見。
2023年1月11日，韋伯望遠鏡首次發現一顆新的系外行星LHS475b，該行星距地球41光年，位于八角星座。
2023年6月27日，韋伯望遠鏡在人類歷史上首次探測到太空中的“關鍵碳化合物”，即甲基陽離子CH3+，位于大約1350光年外的獵戶座星云中，CH3+有助于形成更復雜的碳基分子，而碳化合物構成了所有已知生命的基礎，韋伯望遠鏡以新的方式開啟了星際有機（含碳）化學的研究。
國際合作
自1996 年以來，美國航空航天局（美國國家航空航天局）、歐洲航天局（歐洲航天局） 和 CSA （加拿大航天局）就在這一望遠鏡項目上展開合作。2003 年，ESA 獲準參與建造和發射，并于 2007 年與 NASA正式簽署協議，獲得了充分的合作伙伴關系并為其提供 NIRSpec 儀器、MIRI 儀器的光學平臺組件、“阿麗亞娜”5號火箭以及相關操作人員。 CSA 則提供了精細制導傳感器和近紅外成像儀無狹縫攝譜儀以及配套的操作人員。
來自 15 個國家/地區的數千名科學家、工程師和技術人員為韋伯望遠鏡的建造、測試和集成做出了貢獻。 共有258家公司、政府機構和學術機構參與了該項目；美國142人，歐洲12國104人（其中英國21人，法國16人，德國12人，國際7人 ），加拿大12人。部分作為 美國航空航天局 合作伙伴的其他國家（例如澳大利亞）也參與了項目。
參考資料 >
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美國詹姆斯-韋布空間望遠鏡順利發射入軌.新浪網.2023-06-29
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美國詹姆斯-韋布空間望遠鏡順利發射入軌.新浪網.2023-06-29
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Mirrors Webb.NASA.2023-02-19
A Deeper Sky.Brian Koberlein.2023-02-19
FAQ for Scientists Webb Telescope.NASA.2023-02-19
The Sunshield.NASA.2023-02-19
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韋伯太空望遠鏡捕捉到一顆瀕死恒星的短暫狀態.光明網.2023-06-29
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詹姆斯·韋伯望遠鏡首次探測到關鍵的碳分子.NASA.2023-06-29
韋布首次探測到關鍵碳分子.中國日報網.2023-06-29